挑战重力——悬挑结构的实现方式
在重力作用下，物体有向下坠落的趋势。现实中大量的跨越是“搁置”，但也有大量的情况是“悬挑”。悬挑结构以其强烈的表现力，对现代建筑的艺术造型产生了巨大的影响，并赋予了现代建筑简洁大方的艺术表现力。今天，由特约作者“蒋本卫”介绍工程师如何挑战重力——实现结构悬挑。
在建筑设计中，悬挑现象十分常见，纵观古今中外的建筑，悬挑以纷繁多样的形态出现在历史的许多时期，发挥着不同的功能和作用。
古塔的出檐
我国古建筑中就有檐口的出挑，它采用的是砖或石料层层逐渐向外出挑的方式。另外，我国传统木结构建筑中常采用“斗拱”的方式实现悬挑，最大能实现4~5米的悬挑。
木结构大屋顶的悬挑
随着技术的日新月异，在当代建筑中，悬挑的尺度越来越大，应用的方式也越来越多，在建筑表现力上也发挥着越来越重要的作用。
流水别墅
建于1936年的流水别墅是一个著名的悬挑建筑实例，呈十字交叉、高低错落的两个阳台悬挑在瀑布之上，成为挑战竖向荷载、倾覆作用的一种有力表达方式。
欧洲之门
西班牙马德里的欧洲之门是一个倾斜15°的建筑，超过了比萨斜塔的12°倾角，建筑立面上突出表现了结构元素，拉杆和压杆组成一个平衡力系，使倾斜的建筑给人一种稳定感。
深圳大运中心主体育场
深圳大运中心主体育场由20个形状相似的空间锥面围绕着马鞍面相连而成。柱脚铰接，从一个基本构成单元来看，单元是不稳定的，在重力作用下会倾覆。但各单元间通过屋面环向体系形成空间压力环，提供抗倾覆力矩。巧妙地实现了体育场屋顶向内悬挑。
丹麦VM住宅
阳台和雨篷也是常见的悬挑结构，在一般的建筑中，以小尺度的悬挑为主，但也不乏特殊的例子。丹麦VM住宅中独特的三角形阳台是最引人注目的地方，在每个悬挑的三角形端部都有一根斜拉索与主体相连，以保证安全。
莫斯科东方车站
莫斯科东方车站在主入口以及巴士站站台，都采用了巨型的悬挑雨篷遮挡。主入口的雨篷呈拱形，悬挑长达20多米；站台雨篷采用斜柱支撑，给人一种“飞扶臂”的感觉。
悬挑结构概述
▼概念
悬挑结构，是指一端支承在竖向支撑构件上，另一端向外延伸挑出支撑构件的结构。
▼悬挑结构的受力特点
悬挑结构受力状态与其他结构比有不利的一面，其结构的冗余度（富余度）相对较少。除了进行常规的强度和变形验算外，还要进行抗倾覆验算。一般认为悬挑结构的允许跨度为简支结构的一半。
▼悬挑结构的基本体系
悬挑结构的基本体系，主要有板式体系；框架式（梁式）体系；桁架体系；刚架式体系；拱式体系；空间体系。
悬挑结构实现的方式也是多种多样的，下面主要对现代建筑中一些悬挑情况来谈谈悬挑结构的主要实现方式。
现代建筑中有哪些悬挑结构的实现方式？一般分为平面型悬挑结构和空间型悬挑结构。下面逐一介绍。
平面型悬挑结构
▼悬挑空腹桁架
悬挑空腹桁架示意图
当整体悬挑跨度在10m以内，同时建筑又对立面要求较高，不允许使用斜杆时，悬挑空腹桁架是一个不错的选择。
珠海横琴梧桐树大厦
珠海横琴梧桐树大厦，立面呈树形，每层的建筑平面长度均不同，且两端悬挑没有柱落地，最大悬挑跨度约11m。
这个项目中建筑师强烈要求不能使用斜杆。综合悬挑的跨度及受力情况，按不同的竖向分区采用了分段“空腹悬挑桁架”。空腹悬挑桁架在受力上主要以受弯为主，且桁架的下部承担较多的荷载，因此其效率相对不高，悬挑的跨度有限。
▼悬挑实腹桁架
带斜杆的桁架示意图
当悬挑跨度再增大时，就需要采用有斜杆的实腹悬挑桁架了。实腹悬挑桁架的悬挑跨度可达到20~30m，同时对桁架的高度也有一定的要求，通常为悬挑跨度的1/5~1/3。考虑到斜杆对建筑功能的影响，可结合设备层进行布置。
中广核大厦
中广核大厦北楼，是采用平面型悬挑实腹桁架的一个典型案例。北楼地上24层，结构总高度100m，在10层以上外挑16.5m，悬挑部分的总高度近60m。为了抵抗竖向荷载作用下的倾覆，设计师在悬挑部分的下部8层设置了桁架结构，桁架总高度30m，悬挑桁架与框架柱位于同一平面，共四榀。斜杆的布置也尽可能对考虑减小对建筑功能的影响。
▼斜杆、斜拉索的加入
当然，为了减少斜杆对建筑使用的影响，还可以对实腹桁架做一些变通，比如把斜腹杆改成斜拉索，这就是斜拉索方案。深圳万科总部大楼，就是采用斜拉索结构的一个典型代表。斜拉索往往用于桥梁结构，这一项目将其大量引入到了建筑结构中。
深圳万科总部
深圳万科总部大楼中落地的均是筒体或结构墙，底层平面距地有10~15m，在建筑的端部最大有近20m的悬挑。悬挑部分的竖向荷载传至底层平面，再通过预应力斜拉索传递至竖向落地的筒体或结构墙上。由于斜拉索会产生水平力分量，为了保证力的有限传递，该方案对底层楼面的平面内刚度有一定的要求。
由于拉索材料的强度高，相对钢材来讲，其所需的截面相对较小；同时，拉索还可以通过调节初始张力，主动控制相邻柱的位移高低错落，改善结构受力。但是，斜拉索的支承楼层也不宜太多，传力路径也要尽可能地简洁，不要让索的受力太过于复杂而造成索受力状态难以准确分析。当然，斜拉索结构的节点构造相对复杂，土建造价也相对比较高。
▼悬挂
在前面的中广核大厦中，悬挑桁架是布置在悬挑部分的底部的，当然，我们也可以把悬挑桁架布置在悬挑部分的顶部，此时，就成了悬挂结构。
香港汇丰银行大厦
最著名的悬挂结构当属香港汇丰银行大厦，而且结构外露，从立面上就可看出力流的传递。整个立面分成的5个区段，在每一区段的顶部均设置了两层高的伸臂桁架，用于承受区段内竖向荷载，伸臂桁架再将受力传至巨型的钢立柱上。立柱间跨度33.6m，两端悬挑了10.6m。
重庆大剧院
另外一个典型的悬挂结构是重庆大剧院，与香港汇丰银行的平面型悬挑略有不同，这一项目呈现出一定的空间受力性能，其悬挂结构体系本身是被悬挑出来的。
▼环梁对悬挑能力的提升
世博演艺中心
世博演艺中心悬挑长度20m~31m不等，悬挑桁架基本上可以归结为平面受力模式。但通过设置悬挑梁端部的环梁，提高空间协调作用以进一步提高其悬挑能力。
刚接环的存在提高了各悬挑梁的变形协调能力，使得悬挑跨度小的梁能够为悬挑跨度大的梁提供一定的支承作用。
空间型悬挑结构
深圳证券交易所
深圳证券交易所通过双向布置的悬挑桁架，支承了一个巨大的“漂浮平台”。这个项目的建筑底座被“抬升”36米，抬升裙楼本身高24米，同时在东西向悬挑36米，南北向悬挑22米。悬挑桁架沿裙楼全高布置，双向布置了6榀主桁架，在主桁架间还布置了一些次桁架，形成了一个24m高的空间悬臂结构。
深圳证券交易所三维模型
从重庆大剧院和深圳证券交易所两个项目可看到，通过交错布置的悬挑桁架，实现了三四十米的悬挑，那么，悬挑的跨度还能否进一步增加呢？在合理利用整体结构的空间作用的情况下，央视新大楼实现了近70m的悬挑。
央视新大楼
央视新大楼，在顶部通过14层高的L形悬臂结构将两座倾斜的塔楼连为一体，最大悬臂长度分别为67m和75m。为了抵抗悬臂部分竖向荷载作用下的倾覆作用，将支承悬臂的两座塔楼设计成支撑框筒。支撑框筒最初为均匀布置的斜交网格，后来根据实际的受力状态，在受力大的区域，将支撑布置加密，受力相对较小区域，支撑布置比较稀。
同时，在悬臂部分中，底部两层设置转换桁架以支承上部各楼层。转换桁架在两个方向连接于两个塔楼的外筒上。
对央视新大楼顶部的悬臂部分来说，两个塔楼是不可或缺的。央视新大楼通过整个结构体系的合理布置，实现了目前世界上最大的悬挑高层建筑。
特殊的悬挑结构
▼悬挑楼梯
悬挑楼梯属于空间受力体系。两个梯段板一个受拉，一个受压，平台板可认为是悬挑板，由于两个梯段板不在同一竖向平面内，因此梯段板、平台板均会受到一些平面外的力。
同时，还有螺旋式楼梯。螺旋式楼梯就像一小段弹簧，上、下两端连接在楼面上，受力特点主要是上半段受拉，下半段受压，同时还承受弯、剪、扭的作用。
长沙冰雪世界五星级酒店的旋转楼梯
▼单边支承弧形悬挑结构
Footbridge in Sassnitz
上图是大神施莱希（SBP）设计的单边支承人行桥。人行桥的一侧铰接悬挂在一桅杆支承的空间悬索体系上，另一侧是自由端，无任何的支承。这是一种极具建筑造型感的结构形式。
这一结构是怎么成立的呢？如果这种单边支承的铰接支座为直线布置，很显然整个结构将绕支座直线转动而倾覆。因此，支座必须沿弧线或者是折线布置。由于支座间夹角的存在，因此可通过桥面产生竖向弯曲，来抵抗整个人行桥的倾覆，而使得结构得以成立。
上海的迪士尼乐园有一座人行桥也采用这种形式，大家有兴趣可以近距离去感受一下。
▼悬挑结构的视觉处理。
讲了这么多，封面的结构还没有讲
HOKI美术馆
其实如果你看了下面这张图，就明白了。美术馆悬挑的长廊的确不是箱形截面，但却是工字形截面。工字形的腹板设置在长廊中间，正好可以用来分隔空间并引导流线，参观者沿着长廊走到悬挑端头，掉头往回走。而这块腹板在外面是看不见的。
正是悬挑结构腹板的“隐藏”，使得HOKI美术馆长廊的悬挑产生了更大的震撼。
结语
结构，是建筑的骨架，悬挑结构以其强烈的表现力，受到了建筑师们的青睐。建筑师们在考虑建筑造型美观的同时，也需要全方位地将结构因素放入考量和设计范畴。只有这样，才能设计出经济合理、结构合理的建筑作品。以上的一些悬挑结构的实现方式，希望能给大家有一点点的启发和帮助。
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